JP2005069737A - 液滴着弾観測方法および液滴着弾観測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴吐出ヘッドのノズル孔から吐出されて液滴受容物に着弾する液滴の着弾挙動を観測することができる液滴着弾観測方法および液滴着弾観測装置を提供すること。
【解決手段】液滴吐出ヘッド１００のノズル孔１０１から吐出された液滴２００が液滴受容物５００に着弾する様子を観測する液滴着弾観測装置１である。この液滴着弾観測装置１は、液滴吐出ヘッド１００と液滴受容物５００とを相対的に移動しつつノズル孔１０１から液滴受容物５００上の異なる位置へ向けて複数回液滴２００を吐出し、その各回について、液滴２００の着弾時の近くであって他の回と異なるタイミングで液滴２００に閃光２３を照射してカメラ４により閃光２３が照射された瞬間のこの液滴２００の静止画像を撮影し、各回で撮影された複数の静止画像に基づいて、液滴２００が液滴受容物５００に着弾する様子を観測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドのノズル孔から吐出されて液滴受容物に着弾する液滴の着弾挙動を観測することができる液滴着弾観測方法および液滴着弾観測装置に関する。

近年、液滴吐出装置（インクジェット描画装置）を用いて、液晶表示装置、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）装置、電子放出装置、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）装置、電気泳動表示装置等を製造することが提案されている。
このような液滴吐出装置では、各液滴をワーク上の正確な位置に着弾させる必要があるので、液滴吐出装置の制御を行う場合、あるいは液滴吐出装置の開発・設計を行う場合などには、液滴吐出ヘッドのノズルから吐出される液滴のワーク上への飛行・着弾状態（例えば、飛行方向、飛行速度、着弾位置、着弾挙動等）を観測する必要がある。

従来、液滴のワーク上の着弾位置を計測するに当たっては、複数のレンズ、複数のミラーおよび撮像デバイスを有する撮像光学装置により、異なる２つの方向からの画像を同時に撮像し、着弾位置を算出している（例えば、特許文献１参照）。
このように、上記従来の方法では、液滴がワーク上に着弾した後のその液滴の着弾位置を計測することができるが、液滴がワーク上へ着弾する直前から直後までの液滴の着弾挙動を計測することができない。
また、高速度カメラにより前記着弾挙動を計測することができるが、高速度カメラ自体が高価であるため、液滴吐出装置を購入する際の購入コストが増大するという問題もある。

特開２００３−９０７０９号公報

本発明の目的は、液滴吐出ヘッドのノズル孔から吐出されて液滴受容物に着弾する液滴の着弾挙動を、簡単な構成で、かつ正確に観測することができる液滴着弾観測方法および液滴着弾観測装置を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の液滴着弾観測方法は、液滴吐出ヘッドのノズル孔から吐出された液滴が液滴受容物に着弾する様子を観測する液滴着弾観測方法であって、
前記液滴吐出ヘッドと前記液滴受容物とを相対的に移動しつつ前記ノズル孔から前記液滴受容物上の異なる位置へ向けて複数回液滴を吐出し、その各回について、液滴の着弾時の近くであって他の回と異なるタイミングで当該液滴に閃光を照射してカメラにより前記閃光が照射された瞬間の当該液滴の静止画像を撮影し、各回で撮影された複数の静止画像に基づいて、液滴が液滴受容物に着弾する様子を観測することを特徴とする。
これにより、液滴の着弾時の近くの静止画像をタイミングを変えて撮影することができるので、液滴の着弾挙動を観測することが可能となっている。
また、このような液滴の着弾挙動を観測することにより、液滴受容物上に着弾した液滴の広がりの程度等を測定することができる。

本発明の液滴着弾観測装置は、液滴吐出ヘッドのノズル孔から吐出された液滴が液滴受容物に着弾する様子を観測する液滴着弾観測装置であって、
前記液滴に閃光を照射する閃光照射手段と、
前記液滴の静止画像を撮影するカメラと、
前記液滴吐出ヘッド、前記閃光照射手段および前記カメラと、前記液滴受容物とを相対的に移動させる移動手段と、
前記閃光照射手段の閃光照射タイミングと前記カメラの撮影タイミングとを制御する制御手段とを備え、
前記移動手段の作動により前記液滴吐出ヘッドと前記液滴受容物とを相対的に移動させつつ前記ノズル孔から前記液滴受容物上の異なる位置へ向けて複数回液滴を吐出し、その各回について、前記閃光照射手段は、液滴の着弾時の近傍であって他の回と異なるタイミングで当該液滴に閃光を照射し、前記カメラは、前記閃光が照射された瞬間の当該液滴の静止画像を撮影することを特徴とする。
これにより、液滴の着弾時の近くの静止画像をタイミングを変えて撮影することができるので、液滴の着弾挙動を観測することが可能となっている。
また、このような液滴の着弾挙動を観測することにより、液滴受容物上に着弾した液滴の広がりの程度等を測定することができる。

本発明の液滴着弾観測装置では、前記閃光照射手段は、前記液滴に、その飛行方向に対し側方から閃光を照射することが好ましい。
これにより、閃光を的確に、かつ効率よく液滴に照射することができる。
本発明の液滴着弾観測装置では、前記カメラは、前記液滴の飛行方向に対し側方から見た静止画像を撮影することが好ましい。
これにより、液滴の着弾挙動をより正確に観測することができる。
本発明の液滴着弾観測装置では、前記カメラは、電子画像を撮像する電子カメラであることが好ましい。
これにより、撮像した電子画像を画像処理によってより処理し易くし、液滴の着弾挙動をより正確に観測することができる。

本発明の液滴着弾観測装置では、ヘッド駆動部から複数回入力される吐出信号に基づいて前記液滴吐出ヘッドが複数回液滴を吐出するに際し、前記制御手段は、その各回について、前記吐出信号に対し他の回と異なる遅延時間で遅延したトリガ信号を出力し、該トリガ信号に基づいて、前記閃光照射手段の閃光照射タイミングおよび前記カメラの撮影タイミングを制御することが好ましい。
これにより、より安価な液滴着弾観測装置で、液滴の着弾挙動を観測（撮影）することができる。
本発明の液滴着弾観測装置では、前記制御手段は、各回の前記トリガ信号の遅延時間が前回のトリガ信号に比べて順次長くなるように前記トリガ信号を出力することが好ましい。
これにより、液滴が液滴受容物へ着弾する一連の着弾挙動の画像を得ることができる。

以下、本発明の液滴着弾観測方法および液滴着弾観測装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の液滴着弾観測装置の実施形態を示す側面図、図２は、カメラにより撮像された電子画像を示す図、図３は、図１に示す液滴着弾観測装置１においてノズル孔から吐出される液滴の画像を撮影するタイミングを示すフローチャートである。なお、便宜上、図１は、ブロック図も兼ねている。また、以下では、説明の都合上、図１中の紙面に垂直な方向を「ｘ方向」、左右方向を「ｙ方向」と言う。

図１に示すように、液滴着弾観測装置１は、液滴吐出ヘッド１００のノズル孔１０１から吐出された液滴２００が液滴受容物５００に着弾する様子を観測する装置である。この液滴着弾観測装置１は、液滴２００に閃光２３を照射する閃光照射手段２と、液滴２００の静止画像を撮影するカメラ４と、液滴吐出ヘッド１００、閃光照射手段２およびカメラ４と、液滴受容物５００とを相対的に移動させる移動手段３と、閃光照射手段２の閃光照射タイミングとカメラ４の撮影タイミングとを制御するなどの各部の作動を制御する制御装置（制御手段）６と、ディスプレイ１２とを備えている。なお、液滴受容物５００としては、特に限定されず、例えば、ガラス基板、シリコン基板、フレキシブル基板等が挙げられる。

このような液滴着弾観測装置１は、移動手段３の作動により、液滴吐出ヘッド１００、閃光照射手段２およびカメラ４と、液滴受容物５００とを相対的に移動させつつ、ノズル孔１０１から液滴受容物５００上の異なる位置へ向けて複数回液滴２００を吐出し、その各回について、液滴２００の着弾時の近くであって他の回と異なるタイミングでこの液滴２００に閃光２３を照射して、カメラ４により閃光２３が照射された瞬間の該液滴２００の静止画像を撮影する。

次いで、各回で撮影された複数の静止画像に基づいて、液滴２００が液滴受容物５００に着弾する様子を観測する。
従来では、吐出された液滴２００が液滴受容物５００上へ着弾する着弾位置の観測をすることができていたが、その液滴２００が液滴受容物５００上に着弾する直前から直後までの着弾挙動を観測することができなかった。
しかし、本発明により、液滴２００の着弾時の近くの静止画像をタイミングを変えて撮影することができるので、液滴２００の着弾挙動を観測することが可能となっている。

また、このような液滴２００の着弾挙動を観測することにより、液滴受容物５００上に着弾した液滴２００の広がりの程度、液滴２００が液滴受容物５００上に着弾するべき着弾位置と液滴２００が実際に着弾した位置との位置ズレの程度等を測定することができる。これにより、液滴２００が着弾した液滴受容物５００の生産性やこの生産時の歩留まり等を確実に改善することができる。

図２に示すように、液滴吐出ヘッド１００のノズル面（ノズルプレート）１０２には、ノズル孔１０１が形成されている。ノズル孔１０１には、これに連通する圧力室とこの圧力室内に充填された液体の圧力を変化させるアクチュエータ（いずれも図示せず）が設けられている。液滴吐出ヘッド１００は、このアクチュエータを駆動することにより、圧力室内の液体をノズル孔１０１から液滴２００として吐出する。液滴吐出ヘッド１００が備えるアクチュエータは、特に限定されず、圧電アクチュエータで構成されていても、液体を加熱して気泡を生じさせる発熱体で構成されていてもよい。なお、図２中のｈは、液滴吐出ヘッド１００のノズル面１０２と液滴受容物５００の上面との距離である。

この液滴吐出ヘッド１００は、ヘッド駆動部（ヘッドドライバ）３００により駆動される。ヘッド駆動部３００は、制御装置６の制御に基づき、所定のタイミング（駆動周波数）で吐出信号を生成する。液滴吐出ヘッド１００は、ヘッド駆動部３００から入力された吐出信号によりアクチュエータが作動し、液滴２００を吐出する。
液滴吐出ヘッド１００が吐出する液体（分散液を含む）としては、特に限定されるものではなく、例えば、インク、カラーフィルタのフィルタ材料、有機ＥＬ装置におけるＥＬ発光層を形成するための蛍光材料、ＰＤＰ装置における蛍光体を形成するための蛍光材料、電気泳動表示装置における泳動体を形成する泳動体材料、基板の表面にバンクを形成するためのバンク材料、各種コーティング材料、電極を形成するための液状電極材料、２枚の基板間に微小なセルギャップを構成するためのスペーサを構成する粒子材料、金属配線を形成するための液状金属材料、マイクロレンズを形成するためのレンズ材料、レジスト材料、光拡散体を形成するための光拡散材料等が挙げられる。

図１に示すように、制御装置６は、閃光照射手段２、移動手段３、カメラ４、ディスプレイ１２およびヘッド駆動部３００をそれぞれ制御する。この制御装置６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１と、記憶部（記憶手段）６２とを有している。記憶部６２は、ＣＰＵ６１に読み取り可能な記憶媒体（記録媒体）を有しており、この記憶媒体は、磁気的、光学的記録媒体、もしくは半導体メモリ等で構成されている。

ディスプレイ１２は、例えばＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）、液晶ディスプレイなどで構成されており、例えば操作画面、データ入力画面、カメラ４により撮像された電子画像等を表示することができる。
移動手段３は、ｘ方向に延在するガイドレール３１の案内によりｘ方向に沿って移動可能に設置されたステージ３２と、ガイドレール３１と同方向に設置され、ステージ３２に連結されたボールネジ３３と、ボールネジ３３に回転力を与えるサーボモータ３４とを有している。このような移動手段３は、液滴吐出ヘッド１００に対し、液滴受容物５００をｘ方向へ移動させる。

閃光照射手段２は、ストロボ電源２１と、閃光２３を照射させる閃光照射部２２とを有している。この閃光照射手段２は、液滴２００に、その飛行方向に対し側方から閃光２３を照射するように設置されている（図１参照）。すなわち、閃光２３は、液滴２００の飛行方向（吐出方向）とほぼ垂直な方向であるｙ方向に照射されている。制御装置６の制御に基づき、ストロボ電源２１に外部信号が入力され、これに伴い、閃光照射部２２を作動させ、閃光２３がストロボ照射（発光）する。
これにより、閃光２３を的確に、かつ効率よく液滴２００に照射することができる。

カメラ４は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子と、ズームレンズ４１とを有し、飛行領域４００（液滴２００が着弾する液滴受容物５００の着弾箇所含む）を飛行する液滴２００の電子画像を撮像する電子カメラである。
これにより、撮像した電子画像を画像処理によってより処理し易くし、液滴２００の着弾挙動をより正確に観測することができる。

このカメラ４は、液滴２００の飛行方向に対し側方から見た静止画像を撮影する。
これにより、液滴２００の着弾挙動をより正確に観測することができる。
図示の構成では、カメラ４は、液滴２００の飛行領域４００を介して閃光照射部２２の反対側に設置されている。すなわち、閃光２３は、飛行領域４００を介してカメラ４と反対側から照射される。

制御装置６は、図３に示すようなフローチャートで、閃光照射手段２、移動手段３、カメラ４およびヘッド駆動部３００を制御する。
まず、制御手段６は、液滴２００の吐出が停止している液滴吐出ヘッド１００に液滴２００の吐出を開始するように、ヘッド駆動部３００に液滴２００を吐出させる吐出開始命令を入力する（ステップＳ１０１）。この吐出開始命令に同期して、制御装置６は、液滴吐出ヘッド１００から吐出した液滴２００が液滴受容物５００上の同一の箇所に着弾するのを防止するように、ステージ３２を移動させる移動信号を移動手段３のサーボモータ３４に入力して（ステップＳ１０２）、ステージ３２がｘ方向へ移動する。この移動速度は、特に限定されないが、例えば５ｍｍ／ｓ程度とすることができる。なお、以下で示すＴおよびαは、遅延時間である。

次に、前述した吐出開始命令に基づいて、所定の駆動周波数で吐出信号をヘッド駆動部３００が生成して、液滴吐出ヘッド１００のノズル孔１０１から液滴２００が吐出される（ステップＳ１０３）。この駆動周波数は、特に限定されないが、例えば２５Ｈｚ程度とすることができる。また、制御手段６は、内蔵するタイマーにより吐出信号に対する遅延時間Ｔを計測し、当該遅延時間Ｔで遅延したトリガ信号を出力する（ステップＳ１０４）。１回目の遅延時間Ｔは、特に限定されないが、例えば１００μｓ程度とすることができる。そして、このトリガ信号に基づいて、閃光照射手段２の作動により閃光を照射（ストロボ発光）させ（ステップＳ１０５）、カメラ４により液滴２００が液滴受容物５００に着弾するときの画像を撮像する（ステップＳ１０５）。

次に、この撮影を終了するか否かを判断する（ステップＳ１０６）。この判断は、予め設定された撮像する画像の数に、撮像した画像の数が達したか否かに基づいている。なお、撮影する画像の数は、距離ｈと、遅延時間Ｔと、加算時間αとに基づいて決定される。
ステップＳ１０６において、液滴２００の画像の撮像を終了しないと判断するときには、制御装置６は、前回の遅延時間Ｔに対し、所定の加算時間αを加算する（ステップＳ１０７）。この加算時間αは、特に限定されないが、例えば１μｓ程度とすることができる。そして、ステップＳ１０４に移行して、ステップＳ１０７で算出された遅延時間Ｔで遅延したトリガ信号を出力し、同様の処理を繰り返す。すなわち、１回目の撮影が行われた後は、順次、加算時間αの間隔で撮影が行われる。

また、ステップＳ１０６において、液滴２００の画像の撮像が終了したと判断される場合には、制御装置６は、ヘッド駆動部３００に液滴２００の吐出を停止させる吐出停止信号を入力し（Ｓ１０８）、移動手段３のサーボモータ３４にステージの移動を停止させる移動停止信号を入力する（Ｓ１０９）。そして、この一連の処理を終了する。
このように、制御装置６は、各回のトリガ信号の遅延時間が前回のトリガ信号に比べて順次長くなるようにトリガ信号を出力している。
なお、遅延時間Ｔは、任意に設定することができる。これにより、液滴２００の画像の撮像を開始する時間を設定（選択）することができる。また、加算時間αも同様に、任意に設定することができる。これにより、液滴２００の画像を撮像する間隔を設定（選択）することができる。

上記のような制御によって撮像された電子画像を、撮像された順に並べたものを図２に示す（図２中では、７回撮像）。
この図２において、１回目の遅延時間Ｔを１００μｓ、加算時間αを１μｓとすると、液滴２００ａは、吐出信号から１００μｓ後に撮影した画像であり、液滴２００ｂは、吐出信号から１０１μｓ後に撮影した画像であり、液滴２００ｃは、吐出信号から１０２μｓ後に撮影した画像である。以下、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆおよび２００ｇも同様である。このとき、前述したように、吐出された複数の液滴２００が液滴受容物５００の同一の箇所に着弾することを防止するように、サーボモータ３４の駆動によりステージ３２を移動させるとともに、液滴受容物５００を移動させ、各液滴２００の着弾箇所を変える。

このように、あたかも高速度カメラを用いて、ノズル孔１０１から吐出した同一の液滴２００が連続して、この液滴２００の着弾直前から着弾直後までの着弾挙動を撮影したように、液滴２００の着弾挙動の画像を撮影することができる。従って、この画像を処理することにより、前述の効果をより確実に得ることができる。
また、これにより、高速度カメラよりも安価な液滴着弾観測装置で、液滴２００の着弾挙動を観測（撮影）することができる。
また、前述したように、遅延時間Ｔ、加算時間αを任意に設定することができることにより、高速度カメラと同等以上の撮影性能を得ることができる。

なお、移動手段３は、前述したように、液滴吐出ヘッド１００、閃光照射手段２およびカメラ４と、液滴受容物５００とを相対的に移動させればよい。従って、本実施形態のように、液滴吐出ヘッド１００、閃光照射手段２およびカメラ４に対し、液滴受容物５００を移動させるのに限定されず、液滴受容物５００に対し、液滴吐出ヘッド１００、閃光照射手段２およびカメラ４を移動させてもよい。

また、移動手段３は、本実施形態のように、ボールネジ３３を利用したものに限定されることなく、いかなる構造を利用したものでもよく、例えば、タイミングベルト等のベルト、ラック＆ピニオンギア、リニアモータなどを利用した任意の構成とすることができる。また、ステージ３２の位置精度をより向上させるようにリニアスケールを設置した構成としてもよい。
また、ステージ３２のｘ方向への移動は、断続的に行われてもよいし、連続的に行われてもよい。

また、カメラ４は、本実施形態のように、電子カメラであるのに限定されず、ＣＣＤカメラを画像処理ボードでデジタル化したり、フィルムに画像を撮像するアナログカメラであってもよい。
また、撮影する画像は、前述したような一連の液滴の着弾挙動の画像であることに限定されず、任意の順番で液滴２００を撮影し、この撮影後に画像の順番を入れ替えるようにしてもよい。
また、図２中には、説明上、液滴吐出ヘッド１００のノズル面１０２が入っているが、カメラ４で撮像する実際の電子画像には、ノズル面１０２は、写っていない。

以上、本発明の液滴着弾観測方法および液滴着弾観測装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、液滴着弾観測装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
また、本発明の液滴着弾観測方法では、任意の１または２以上の方法を追加することもできる。

本発明の液滴着弾観測装置の実施形態を示す側面図である。 カメラにより撮像された電子画像を示す図である。 図１に示す液滴着弾観測装置１においてノズル孔から吐出される液滴の画像を撮影するタイミングを示すフローチャートである。

符号の説明

１……液滴着弾観測装置 ２……閃光照射手段 ２１……ストロボ電源 ２２……閃光照射部 ２３……閃光 ３……移動手段 ３１……ガイドレール ３２……ステージ ３３……ボールネジ ３４……サーボモータ ４……カメラ ４１……ズームレンズ ６……制御装置 ６１……ＣＰＵ ６２……記憶部 １２……ディスプレイ １００……液滴吐出ヘッド １０１……ノズル孔 １０２……ノズル面 ２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆ、２００ｇ……液滴 ３００……ヘッド駆動部 ４００……飛行領域 ５００……液滴受容物 Ｓ１０１〜Ｓ１０９……ステップ

Claims (7)

1. 液滴吐出ヘッドのノズル孔から吐出された液滴が液滴受容物に着弾する様子を観測する液滴着弾観測方法であって、
   前記液滴吐出ヘッドと前記液滴受容物とを相対的に移動しつつ前記ノズル孔から前記液滴受容物上の異なる位置へ向けて複数回液滴を吐出し、その各回について、液滴の着弾時の近くであって他の回と異なるタイミングで当該液滴に閃光を照射してカメラにより前記閃光が照射された瞬間の当該液滴の静止画像を撮影し、各回で撮影された複数の静止画像に基づいて、液滴が液滴受容物に着弾する様子を観測することを特徴とする液滴着弾観測方法。
2. 液滴吐出ヘッドのノズル孔から吐出された液滴が液滴受容物に着弾する様子を観測する液滴着弾観測装置であって、
   前記液滴に閃光を照射する閃光照射手段と、
   前記液滴の静止画像を撮影するカメラと、
   前記液滴吐出ヘッド、前記閃光照射手段および前記カメラと、前記液滴受容物とを相対的に移動させる移動手段と、
   前記閃光照射手段の閃光照射タイミングと前記カメラの撮影タイミングとを制御する制御手段とを備え、
   前記移動手段の作動により前記液滴吐出ヘッドと前記液滴受容物とを相対的に移動させつつ前記ノズル孔から前記液滴受容物上の異なる位置へ向けて複数回液滴を吐出し、その各回について、前記閃光照射手段は、液滴の着弾時の近傍であって他の回と異なるタイミングで当該液滴に閃光を照射し、前記カメラは、前記閃光が照射された瞬間の当該液滴の静止画像を撮影することを特徴とする液滴着弾観測装置。
3. 前記閃光照射手段は、前記液滴に、その飛行方向に対し側方から閃光を照射する請求項２に記載の液滴着弾観測装置。
4. 前記カメラは、前記液滴の飛行方向に対し側方から見た静止画像を撮影する請求項２または３に記載の液滴着弾観測装置。
5. 前記カメラは、電子画像を撮像する電子カメラである請求項２ないし４のいずれかに記載の液滴着弾観測装置。
6. ヘッド駆動部から複数回入力される吐出信号に基づいて前記液滴吐出ヘッドが複数回液滴を吐出するに際し、前記制御手段は、その各回について、前記吐出信号に対し他の回と異なる遅延時間で遅延したトリガ信号を出力し、該トリガ信号に基づいて、前記閃光照射手段の閃光照射タイミングおよび前記カメラの撮影タイミングを制御する請求項２ないし５のいずれかに記載の液滴着弾観測装置。
7. 前記制御手段は、各回の前記トリガ信号の遅延時間が前回のトリガ信号に比べて順次長くなるように前記トリガ信号を出力する請求項６に記載の液滴着弾観測装置。

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